项目4.5机械加工精度.ppt

机械加工精度及表面质量,教师：孙敏,开封大学机电工程学院,1 机械加工精度概述 2 工艺系统几何误差 3 工艺系统受力变形引起的加工误差,机械加工精度及表面质量,优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。 优质就是高的产品质量。 高产就是生产效率高。 低消耗就是成本低。 产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。,第一节 机械加工精度概 述,一、加工精度与加工误差,加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,表面绝对平面、圆柱面等； 位置绝对平行、垂直、同 轴等； 尺寸位于公差带中心。,加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。,实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。,二、尺寸、形状和位置精度间的关系,独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的3050；位置误差约为尺寸公差的6585。,三、获得加工精度的方法,1.获得尺寸精度的方法,补充主动测量法：使用百分表或其它数字测量装置测量，但不一定自动控制，退刀由人控制。,(1)试切法调整,1)测量误差。由量具本身精度度、测量方法及使用条件引起。 2)进给机构的位移误差。在微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。 3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大工件。,应用：单件小批生产中。,方法：对工件进行试切测量调整再试切，直到达到要求的精度为止。,这时，引起调整误差的因素有：,运用调整法时怎样调整？,(2)调整法调整,影响调整精度的因素有：,1）上述影响试切法调整精度的因素，因为采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。 2）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度； 3）用样件或样板调整时，调整精度取决于祥件或样板的制造、安装和对刀精度；调整装置安装在夹具上。 4）工艺系统初调好以后，般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。,2. 获得形状精度的方法,3. 获得位置精度的方法,轨迹法例子普通车外圆、端面、内孔，铣平面、槽。数控加工圆弧是轨迹法也称仿形法,展成法加工有主运动、进给运动、展成运动组成。区别于其他方法,1工件 2铣刀 3靠模 4滚子 5滚子滑座 6铣刀滑座,直线进给式靠模铣夹具在靠模铣床上用仿形法加工（轨迹法）加工工件，也可用数控仿形法加工此工件,齿形加工方法,齿形加工原理,1.成形法,2.展成法,成形法加工的特点：,优点是机床较简单，可以利用通用机床加工，缺点是加工齿轮的精度低。此外，这种方法生产率低，只适用于单件小批生产一些低速、低精度的齿轮。在大批大量生产中，通常采用多齿廓成形刀具来加工齿轮，如用齿轮拉刀、齿轮推刀或多齿刀盘等刀具同时加工出齿轮的各个齿槽。,图7-1成形法加工齿轮,展成法特点,用展成法加工齿轮，可以用一把刀具加工同一模数不同齿数的齿轮，且加工精度和生产率也较高，因此，各种齿轮加工机床广泛采用这种加工方法，如滚齿机、插齿机、剃齿机等。此外，多数磨齿机及锥齿轮加工机床也是按展成法原理进行加工的。,图7-2展成法滚齿原理,装夹的方法：共有三种 （一）直接装夹：工件定位基准面与机床上的装夹面紧密帖合而定位，进而夹紧的装夹方式称为直接装夹。,（二）找正装夹：以工件的有关表面或专门划出的线痕作为定位的依据，然后夹紧工件的装夹方式称为找正装夹。,（三）夹具装夹：先根据工件某一工序的加工要求设计、制造夹具，工件定位基准面与夹具上的定位面紧密帖合而定位，然后夹紧的装夹方式称为夹具装夹。 特点：易于保证定位精度，装夹所用时间短， 利于提高生产效率。,四、原始误差,由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。,工艺系统的几何误差 工艺系统受力变形引起的误差 工艺系统热变形引起的误差 工件的残余应力引起的误差 伺服进给系统位移误差等,误差的敏感方向,在加工过程中，各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差，各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向度量。因此不同的原始误差对加工精度有不同的影响。,当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工相度的影响最大。,下面以外圆车削为例说明两者的关系。,如图，车削时工件的回转轴线为O，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀尖位移到A，AA即为原始误差，它与OA间的夹角为，由此引起工件加工后的半径由R0OA变为ROA，故半径上的加工误差R 为：,当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(0)时，引起的加工误差最大；,可以看出：,当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(90)引起的加工误差最小。,把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向，对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向。,原始误差产生加工误差的根源，它包括：,四、研究机械加工精度的方法,是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。,是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。,加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。,一、加工原理误差,如：,1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。,第二节 工艺系统的几何误差,2、车削模数蜗杆,由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即m，其中m是模数，而是一个无理数314159)，但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。但是，这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。,滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差： 一是切削刃齿廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆； 二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线，和理论上的光滑渐开线有差异。,3、滚齿加工,注意：采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床或刀具的结构，提高生产效率，有时反而能得到较高的加工精度。因此，只要具误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。,二、调整误差,二、机床几何误差,机床制造 磨损 安装,主轴回转误差 导轨误差 传动链误差,机床的几何误差组成,机床几何误差,1、机床导轨误差,机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。,水平面内的直线度 垂直面内的直线度 前后导轨的平行度（扭曲）,现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。,（1）导轨在水平面内直线度误差的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时,引起工件在半径方向的误差为（图49）： R=y,由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。,当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差； 当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。,Y,Y,o,D,R,水平面,导轨水平面内直线度,图49 导轨在水平面内直线度误差,床身导轨在垂直面内有直线度误差（图4-10），会引起刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为： RZ2/d,（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响,设：Z=Y=0.01mm ，R=50mm ， 则由于法向原始误差而产生的加工误差 R= Y =0.01mm, 由于切向原始误差产生的加工误差 R Z2/d =0.000001mm 此值完全可以忽略不计。由于Z2数值很小， 因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。,垂直平面,导轨垂直面直线度,Z,d,R,Z,图410 导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差（图7-11）。,原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向） ，可忽略不计。,结论：,图 龙门刨床导轨垂直面 内直线度误差 1刨刀 2工件 3工作台 4床身导轨,（3）前后导轨平行度误差的影响,床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。,从图4-11可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差y。从几何关系中可得出： yH/B 一般车床H2B/3，外圆磨床HB，因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,图411 车床导轨扭曲对工件形状精度影响,2、机床主轴回转误差,（1）机床主轴回转误差的概念,主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。,轴向窜动 纯径向跳动 纯角度摆动,实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。,主轴回转运动误差的形式,端面圆跳动（轴向窜动） 径向圆跳动（纯径向跳动） 角度摆动（纯角度摆动）,主轴的回转运动误差的基本形式,注意：实际中常是这几种误差的合成。运用时只测量端面圆跳动、径向圆跳动,平均回转轴线,端面圆跳动瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。 径向圆跳动瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动b。它主要影响圆柱面的精度。 角度摆动瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响圆柱面与端面加工精度。,车间所有机床，我们分为：,误差敏感 方向不变,镗床,车床,加工时误差敏感 方向和切削力方 向随主轴回转而 不断变化,（2）主轴径向圆跳动对加工精度的影响,A,A,R,Om,1,1，,Acos,O,2,3,4,O,Rsin,(A+R）cos,图44 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,图45 车削时纯径向跳动对加工精度的影响,1）对圆柱面的加工,无影响；,2）对加工端面的影响,3）对螺纹加工的影响,如图（a）,如图（b）,端面圆跳动（轴向窜动）对加工精度的影响,首先应提高轴承的回转精度,选用高精度的滚动轴承 采用高精度的多油楔动压轴承 采用高精度的静压轴承,提高箱体支承孔的加工精度 主轴轴颈的加工精度 与轴承相配合表面的加工精度,其次应提高轴承组件的接触刚度,（3）提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的制造精度,常采用两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用。工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。,对滚动轴承进行预紧,可消除间隙 增加轴承刚度 均化滚动体的误差,使主轴的回转精度不反映到工件上,如下图,对滚动轴承适当预紧,微量过盈可使轴承内、外圈和滚动体的弹性变形相互制约，这样既增加轴承刚度，又对滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。,外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。,在镗床上加工箱体类零件上的孔时，采用前、后导向套的镗模，刀杆与主轴浮动联接，所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关，仅由刀杆和导套的配合质量决定。,3、机床传动链误差,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,（1）机床传动链误差定义,指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。,（2）机床传动链误差描述,传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。,（3）减少传动链误差的措施,1）尽量缩短传动链。 2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。 3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。 4）消除传动链中齿轮副的间隙。 5）采用误差校正机构,图 丝杠加工误差校正装置 1工件 2螺母 3母丝杠 4杠杆 5校正尺 6触头 7校正曲线,如普通车刀、单刃 镗刀和面铣刀等）的制 造误差对加工精度没有 直接影响，但磨损后对 工件尺寸或形状精度有 一定影响,定尺寸刀具（如钻 头、铰刀、圆孔拉刀等） 的尺寸误差直接影响被 加工工件的尺寸精度。 刀具的安装和使用不当， 也会影响加工精度。,成形刀具（如成形车 刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）的误差主要 影响被加工面的形状精 度,展成法刀具（如齿轮 滚刀、插齿刀等）加工齿 轮时，刀刃的几何形状及 有关尺寸精度会直接影响 齿轮加工精度,三、工艺系统其它几何误差,图例 车刀的尺寸磨损,图例 车刀磨损过程,夹具的误差主要是指： 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。 2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。 3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。具体内容在机械制造装备课程中讲述。,2、夹具误差和工件安装误差,图例 钻孔夹具误差对加工精度的影响,3、测量误差,大批量生产时常采用 行程挡块、靠模、凸轮 作为定程机构，其制造 精度和调整精度产生调 整误差,样件、样板的制造精度 和安装精度、对刀精度 产生调整误差,测量误差 进给机构位移误差（爬 行现象） 加工余量的影响（余量 很小时，刀刃打滑）,影响工件在机床上 占有正确的加工位置,破坏了刀具、工件间相对位置,第三节、工艺系统受力变形引起的加工误差,工艺系统受力变形现象,图 受力变形对工件精度的影响 a) 车长轴 b） 磨内孔,由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。,（一）工艺系统的刚度,工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为： 背向力Fp （旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即 kxt=Fp/yxt,注意：这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。,1. 工艺系统刚度的概念,材力静刚度可表示为：,若出现变形方向与Fp方向不一致的情况，如Fp与yxt方向相反，工艺系统就处于负刚度状态。,负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时车刀的刀尖将扎入工件（扎刀）的外圆表面，引起刀具的破损和振动，应尽量避免。,刨削,车削,由于法向位移是在总切削力作用下工艺系统综合变形的结果，因此有可能出现变形方向与Fy的方向不一致的情况。主要发生在毛坯加工时切削厚度过大，造成切向力Fc过大，造成负刚度。,工艺系统的刚度：,yxt=yjc+yjj+yd+yg,而：,工艺系统某点法向总变形,2、系统刚度与环节刚度,零件表面总是存在若宏观和微观的形状误差，连接表面之间的实际接触面积只是名义接触面积的一部分在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力而引起接触变形。,连接表面接触变形的影响,试验表明，接触变形y与压强F的关系如图所示，接触刚度将随载荷的增加而增大。,3. 机床部件刚度特点,如果部件中有某些刚度很低的零件时，受力后这些低刚度零件会产生很大的变形，使整个部件的刚度降低。 如图所示，由于床鞍部件中的楔铁细长、刚性差，不易加工平直，使用接触不良，故在外力作用下最易变形。,部件中薄弱零件的影响,零件配合面间的间隙的影响，主要反映在载荷经常变化的铣镗床、铣床上。当载荷方向改变时，间隙引起位移。,零件间间隙的影响,零件间的摩擦力的影响,如图所示，如果载荷是单向的，那么在第一次加载消除间隙后，对加工精度影响较小。,摩擦力对接触刚度的影响是这样的：当加载时，摩擦力阻止变形增加，而卸载时，摩擦力又阻止变形减少。因此，卸载曲线不与加裁曲线相重合，如图所示(表面间的塑性变形也是使加裁和卸载曲线不重合的原因之一)。,零件间间隙和摩擦力的影响,（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、切削力作用位置变化引起的加工误差,根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为： yw=Fp(L-x)2x2/3E I L (4-18) 从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。,1） 工件的刚度及其变形,在车床顶尖间车削粗而短的光轴，由于车刀和工件变形极小，此时，工艺系统的总变形完全取决于主轴箱、尾座(包括顶尖)和刀架的变形。,车短轴,（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、切削力作用位置变化引起的加工误差,图420 刚度变化造成工件误差 1理想的工件形状； 2k头k尾时车出的工件形状,判断方法： 中间变形大，切去的材料少；两头变形小，切去的材料多 中间变形小，切去的材料多；两头变形大，切去的材料少,车细长轴,在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长、刚度小，在切削力作用下其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此，机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。,工艺系统刚度随受力点位置变化而异的例子很多，例如立式车床、龙门刨床、龙门铣床等的横梁及刀架，大型铣镗床滑枕内的轴等，其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异，分析时应具体分析。,镗床,铣床,在车床上加工短轴，工艺系统刚度变化不大，可近似地作为常数。这时，由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化、使受力变形不一致而产生加工误差。,以车削为例，工件毛坯存在圆度误差(例如椭圆)，如图所示。,误差复映,2、切削力 大小变化引起的加工误差（误差复映）,由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2 引起了工件产生圆度误差w=y1 -y2 且m越大，w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。,误差复映系数,毛坯圆度的最大误差,车削后工件的圆度误差,称为误差复映系数,而,又,所以,则：,定义：,复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，它与工艺系统刚度成反比，与径向切削力系数A成正比。,可见，要减少工件的复映误差，可增加工艺系统刚度或减少径向切削力系数。,当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，需要多次进给来消除毛坯误差m复映到工件上。设第一次进给量为f1，毛坯误差为m1 ，则由上式可得到第一次进给后工件的误差w1为：,误差复映规律的应用,第二次进给后工件的误差为：,同理，第n次进给后工件的误差为：,由于总是小于1，而且是个远远小于1的系数，小数相乘更小。因此一般IT7要求的工件经过23次进给后，可能使m复映到工件上的误差减小到公差允许值的范围内。,误差复映规律的应用：,1、估算加工后的工件误差,2、根据工件的公差值与毛坯误差值来确定加工次数。,在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图4-21所示。,3、切削过程中受力方向变化引起的加工误差,1）由于传动力引起的误差,结论：,在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。,图421 单爪拨盘传动下工件的受力分析,2）由于惯性力引起的误差,在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件园度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心。 因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。,4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差,1）由于机床部件或工件本身重量以及它